姜明利，佘建軍

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.玉溪市水利電力勘測設(shè)計院，云南 玉溪 653100）

1 前言

水電站水輪發(fā)電機組機械缺陷，會導致機組不平衡振動發(fā)生變化，機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子不圓，也是一種機械缺陷，機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子不圓造成機組旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量偏心而產(chǎn)生機械不平衡力；同時造成發(fā)電機氣隙間隙不均勻而產(chǎn)生電磁不平衡力，從而導致機組運行產(chǎn)生不平衡振動。

文章以某水電站水輪發(fā)電機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子不圓的機械缺陷引起機組不平衡振動情況進行分析。

2 基本情況

電站共裝有4 臺單機容量為300 MW 的立式混流式水輪發(fā)電機組，首臺機組于1998 年12 月投產(chǎn)發(fā)電，3 號機組于1999 年12 月發(fā)電，投產(chǎn)后1 號、2號、4 號機組運行正常，3 號機組多年運行過程中存在振動和擺度偏大的問題。

3 號機組投產(chǎn)后，于2000 年9 月進行了常規(guī)大修，由于機組振動、擺度偏大，大修期間請主機廠家進行了配重（當時配重380 kg），配重后振動、擺度情況有一定改善，但部分工況還存定偏大超標。

2006 年5 月，針對3 號機組振動和擺度變大問題，電廠進行了試驗配重，配重量243 kg，方位與2000 年配重方位相差30°左右，配重后振動、擺度情況有較大的改善。

2013 年12 月，針對3 號機組振動、擺度增大問題，對機組進行了再次的配重，配重量為145 kg，方位與2006 年配重方位相差180°。

2014 年12 月，3 號機組大修，重新進行了配重，同時對轉(zhuǎn)子圓度進行了調(diào)整檢查。本次大修后，機組振動不平衡情況有所改善，至今運行情況良好。

3 問題思考

（1）3 號機組，自1999 年12 月投產(chǎn)發(fā)電，先后于2000 年9 月、2006 年5 月、2013 年12 月 進 行 了3次配重，配重的質(zhì)量和方位每次都有不同。

（2）每次配重后，機組的振動和擺渡情況都有所好轉(zhuǎn)，能滿足機組穩(wěn)定運行的要求，振動和擺度基本在合理的運行范圍，機組的運行情況相對都比較理想，但是，隨著時間的推移和機組的運行，3 號機組的振動和擺度在逐漸的增大，出現(xiàn)振動和擺度超標問題。

（3）機組的振動和擺度，為什么會隨著時間而逐漸增大：2000 年配重后，振動和擺度情況良好，運行到2006 年，機組的振動擺度明顯增大，出現(xiàn)超標。2006 年5 月配重后，機組振動和擺度達到合格標準，到2013 年又出現(xiàn)超標這樣的問題。

（4）配重為什么會發(fā)生變化，三次配重的方位變化，特別是2006 年和2013 年12 月的兩次配重的方位相差180°？同時，配重的重量相對偏大，這種變化是有那種原因引起的，是什么樣的不平衡力導致的，這種變化為什么是一種緩慢的變化？電站共裝有4 臺相同的機組，為什么只有3 號機組出現(xiàn)這樣的問題？

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 盤車數(shù)據(jù)分析

根據(jù)電站提供的資料，對1999 年機組初期安裝的盤車數(shù)據(jù)、2006 年機組擴大性大修拆機前的盤車數(shù)據(jù)和拆機回裝后的盤車數(shù)據(jù)、以及2014 年11 月機組擴大性大修拆機前的盤車數(shù)據(jù)等機組安裝和檢修過程中的部分盤車數(shù)據(jù)進行整理分析認為：

（1）機組的歷次盤車數(shù)據(jù)都能很好的反映軸線的情況，盤車數(shù)據(jù)基本滿足標準和機組穩(wěn)定運行的要求，機組軸線情況良好。

（2）根據(jù)電站在線振擺監(jiān)測系統(tǒng)和幾次的離線振擺檢測試驗數(shù)據(jù)分析，機組的軸線運行軌跡良好，軸線的運行姿態(tài)良好。

（3）機組三導軸承的運行中心沒有問題，能滿足機組運行穩(wěn)定的要求。

4.2 配重試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)配重前的變轉(zhuǎn)速和變勵磁試驗數(shù)據(jù)分析以及多次試配重情況，發(fā)現(xiàn)機組的振動和擺度受機組勵磁變化影響較大，決定機組最終配重在100%勵磁情況下進行，同時對機組進行變負荷試驗，以觀察機組振動和擺度的變化情況。

分析配重前后變轉(zhuǎn)速，變勵磁試驗數(shù)據(jù)（圖1～圖5）：

（1）配重前變轉(zhuǎn)速試驗數(shù)據(jù)可以看出，上導和下導擺度隨機組轉(zhuǎn)速變化不大，但機組上機架和定子外殼水平振動隨機組轉(zhuǎn)速的升高而增大。

（2）配重前變勵磁試驗數(shù)據(jù)可以看出，機組上下導及水導擺度受勵磁變化影響不大，但機組的上機架和定子外殼水平振動較沒加勵磁之前有明顯的增大，同時隨著勵磁的變化而變化，說明機組的振動和機組勵磁變化有很大的關(guān)系。

（3）配重后變轉(zhuǎn)速試驗數(shù)據(jù)可以看出，比較配重前，機組的上下導擺度略有增大，機組的上機架和定子外殼的振動有所減少，但總的變化不大。

（4）配重后變勵磁試驗數(shù)據(jù)可以看出，比較配重前，機組上導擺度有所增加，下導擺度隨勵磁變化先增加后降低，機組上機架和定子外殼振動明顯降低，說明配重后機組振動情況有明顯好轉(zhuǎn)。

通過配重前后試驗數(shù)據(jù)分析，可以看到，機組振動和勵磁有直接的關(guān)系，說明機組存在不平衡磁拉力。

圖1 配重前后擺度隨轉(zhuǎn)速變化對比圖

圖2 配重前后振動隨轉(zhuǎn)速變化對比圖

圖3 配重前后擺度隨勵磁變化對比圖

圖4 配重前后振動隨勵磁變化對比圖

圖5 配重后擺度及振動隨負荷變化曲線圖

4.3 轉(zhuǎn)子圓度檢查數(shù)據(jù)分析

對比1999 年新裝機時轉(zhuǎn)子圓度檢查數(shù)據(jù)和2006 年12 月大修拆機前后的轉(zhuǎn)子圓度檢查數(shù)據(jù)，可以看出，1999 年初裝時和2006 年12 月大修拆機前的轉(zhuǎn)子圓度檢查數(shù)據(jù)有很大的差別。

1999 年初裝時的轉(zhuǎn)子圓度基本情況良好，但是，2006 年12 月份大修拆機前的檢查數(shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)子最大最小半徑差約1.7～2.09 mm（8 號磁極位置），且半徑分布形式，出現(xiàn)一面偏小，另一面偏大的現(xiàn)象。

2006 年12 月，3 號機組的大修記錄，對轉(zhuǎn)子圓度進行了調(diào)整，利用專用吊具拆卸、并重新掛裝磁極，通過調(diào)整磁極背后T 型槽內(nèi)墊條的厚度，從而改變轉(zhuǎn)子圓度。調(diào)整后，轉(zhuǎn)子最大最小半徑差0.6 mm，轉(zhuǎn)子最大中心偏差約0.15 mm，且轉(zhuǎn)子半徑分布形式較好，未出現(xiàn)一面偏小，另一面偏大的現(xiàn)象。

2014年12月，3號機組轉(zhuǎn)子圓度測量數(shù)據(jù)顯示，3 號機組的轉(zhuǎn)子圓度較2006 年大修后的圓度測量數(shù)據(jù)又有很大的變化，轉(zhuǎn)子圓度再次出現(xiàn)一面偏大，一面偏小的現(xiàn)象，9～20 號磁極處轉(zhuǎn)子圓度明顯凸出偏大，轉(zhuǎn)子圓度最大最小偏差：上部1.79 mm，中部2.05 mm，下部2.84 mm（13 號磁極位置）。

1999 年12 月機組投運到2006 年12 月大修拆機，機組的轉(zhuǎn)子圓度發(fā)生這么大的變化，說明轉(zhuǎn)子的磁極或者磁軛發(fā)生了變化，可能出現(xiàn)了松動或者變形。這將引起轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量不平衡和磁拉力的不平衡，從而引起機組振動和擺度的增大。

對比2006 年12 月機組大修和2014 年12 月機組大修，兩次拆機測量的轉(zhuǎn)子圓度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子圓度呈現(xiàn)相同的變化現(xiàn)象：出現(xiàn)一邊偏大，一邊偏小的情況，而且方位很接近，2006 年12 月偏大的部為在4～15 號磁極處，2014 年12 月圓度偏大位置在9～20號磁極處，轉(zhuǎn)子中心明顯發(fā)生偏移。

圖6 轉(zhuǎn)子圓度對比分析圖

4.4 轉(zhuǎn)子磁軛圓度檢查數(shù)據(jù)分析

對1999 年機組初裝時的測量數(shù)據(jù)，2006 年12月機組大修的測量數(shù)據(jù)，2014 年12 月機組大修測量數(shù)據(jù)進行對比分析。

數(shù)據(jù)顯示，1999 年初裝時轉(zhuǎn)子圓度情況相對較好；2006 年大修時，數(shù)據(jù)偏少，但也呈現(xiàn)出一邊大一邊小的現(xiàn)象，磁極16 號位置相對最大（最大最小差1.2 mm）；2014 年12 月的磁軛測量數(shù)據(jù)，比較明顯，10～20 號磁極處明顯偏大（16 號磁極最大最小差上部1.6 mm，中部1.54 mm，下部2.39 mm）。

2006 年12 月的大修，對磁軛基本沒有處理，根據(jù)大修記錄，磁軛的處理方案為：鑒于磁軛外圓的現(xiàn)狀，請在安裝時注意高點的打磨工作。也就是說，2006 年12 月的大修，基本上沒有對磁軛進行處理。

2014 年12 月的數(shù)據(jù)顯示：磁軛上中下3 個斷面的直徑并不一致，變形量也不同，呈上大下小的錐形，同時還存在一定的傾斜。

圖7 轉(zhuǎn)子磁軛圓度對比分析

4.5 轉(zhuǎn)子圓度與磁軛圓度情況對比

將2014 年轉(zhuǎn)子圓度和磁軛圓度的測量數(shù)據(jù)進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，磁軛圓度和轉(zhuǎn)子圓度的軌跡基本相同，偏大偏小的方位基本一致。說明，轉(zhuǎn)子整體圓度的變化和磁軛的變化之間有一定的關(guān)系，但具體的變形量還是有一些差別。

圖8 轉(zhuǎn)子圓度與磁軛圓度對比分析

4.6 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

將轉(zhuǎn)子圓度、磁軛圓度圖進行對比，2006 年5月的配重位置在轉(zhuǎn)子圓度和磁軛圓度的偏小方位，2013 年12 月的配重位置在轉(zhuǎn)子圓度和磁軛圓度偏大的方位。

根據(jù)這個現(xiàn)象推斷，2000 年機組配重后，機組轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量、磁拉力處在平衡的位置，機組運行平穩(wěn)，隨著機組的運行，轉(zhuǎn)子磁極和磁軛發(fā)生相對的運動和變形，由此產(chǎn)生了新的質(zhì)量不平衡和磁拉力不平衡，造成機組的振動和擺度增大，不平衡力增加的方位就在轉(zhuǎn)子和磁軛相對位置凸出的方位，也就是在10～20 磁極號的方位，2006 年5 月的配重，正好也就處在了10～20 號磁極對應的反方向位置（32～34 號磁極的位置）。

2006 年12 月3 號機組進行大修，大修期間，沒有對磁軛進行處理，只是在磁極的掛裝的時候，調(diào)整了磁極的T 型鍵，對松動的拉桿螺栓進行了調(diào)整，保證了轉(zhuǎn)子外圓的相對圓度，從根本上并沒有改變轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量和磁拉力的變化。

2006 年12 月大修后至2013 年12 月期間，機組運行過程中造成轉(zhuǎn)子的磁軛和磁極產(chǎn)生新的松動和變形，產(chǎn)生新的質(zhì)量不平衡和磁拉力不平衡。

2014 年轉(zhuǎn)子磁軛圓度，呈上大下小的錐形，同時，還有一定的傾斜現(xiàn)象。磁軛圓度的變化應該是造成2013 年12 月配重的原因。

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象分析，造成3 號機組振動變化的原因，應該就是轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的變形以及松動造成的，機組大修處理的重點也是處理磁極和磁軛，分析磁極和磁軛變形和松動的原因，并進行磁極和磁軛的調(diào)整和處理。

2014 年的機組大修，針對機組振動問題，對轉(zhuǎn)子進行了調(diào)整檢查，通過調(diào)整間隙、磁極拉桿螺栓拉緊等措施，盡量減少轉(zhuǎn)子的不圓度，同時在機組帶100%勵磁情況下進行了配重，本次大修后，機組振動情況有所改善，至今運行情況良好。

5 結(jié)束語

通過對該電站3 號機組振動數(shù)據(jù)的分析及多次機組檢修處理情況來看，造成機組振動及振動隨時間變化的根本原因是不平衡磁拉力，該不平衡磁拉力的產(chǎn)生是由于機組轉(zhuǎn)子磁軛的不圓以及磁極松動導致的轉(zhuǎn)子不圓等機械缺陷造成的，說明機組在設(shè)計、制造、安裝等環(huán)節(jié)還存在問題，在以后機組的運行和檢修過程中需要引起注意和重視。